(57)【要約】 【課題】  構造が簡単で組立性に優れ、且つ、絶縁性、ガスシール性にも優れる燃料電池の接続管の接続構造を提供する。【解決手段】  燃料電池のマニホールド１５とセパレータ８を接続する接続管１３の接続構造であって、前記マニホールド１５の管孔２０に絶縁管２２を嵌入すると共に、当該絶縁管２２の内部に前記接続管１３を、その軸線方向にスライド可能に差し込み嵌合し、圧損により接合部分をガスシールした。また、前記接続管１３をＪ字に曲成し、当該接続管１３の前記マニホールド１５と前記セパレータ８への接合方向を同一にした。【選択図】    図１
2006004759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のマニホールドとセパレータを接続する接続管の接続構造であって、
前記マニホールドの管孔に絶縁管を嵌入すると共に、当該絶縁管の内部に前記接続管を、その軸線方向にスライド可能に差し込み嵌合し、圧損により接合部分をガスシールしたことを特徴とする燃料電池の接続管の接続構造。
【請求項２】
前記絶縁管が嵌入される部分の前記マニホールドの側壁の肉厚を厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の接続管の接続構造。
【請求項３】
前記接続管をＪ字状に曲成し、当該接続管の前記マニホールドと前記セパレータへの接合方向を同一にしたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池の接続管の接続構造。
【請求項４】
前記管孔を千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池の接続管の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のマニホールドとセパレータを接続する接続管の接続構造であって、組立が容易で、且つ、絶縁性、ガスシール性に優れる接続管の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するため、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ3 もしくはＬａＣｏＯ3 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体酸化物形燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物形燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して電解質の抵抗を低くし、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。
【０００８】
高温の固体酸化物形燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体酸化物形燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物形燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状の多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路を備えている。
【００１２】
また、燃料電池スタックの側方には、各セパレータの燃料ガス通路に接続管を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールドと、各セパレータの酸化剤ガス通路に接続管を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用マニホールドとが、発電セルの積層方向に延在して設けられている。
【００１３】
ところで、上記した燃料用マニホールドおよび酸化剤用マニホールドは、構造上、何れも金属で作製されているため、全ての発電セルが個々に常に安定した発電機能を呈するには、各セパレータとマニホールドとが確実に電気的に絶縁された状態で流路接続されていなければならない。接続管同士が振動や変形等で機械的に接触してはならないことは勿論である。加えて、接続管の接合部分での優れたガスシール性も要求されている。
【００１４】
このような、接続管の接続構造における、絶縁性やガスシール性の向上に係わる従来技術として特許文献１〜特許文献３が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１５３４７９号公報
【特許文献２】特開２０００−１８４４４８号公報
【特許文献３】特開２００３−１０９６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、上記特許文献にもあるように、接続管の接続構造において、各接続管の絶縁部材としてセラミックスが用いられると共に、ガスシール手段として接合部分がロウ材や高温接着剤等で接合封止されるのが一般的である。
【００１６】
ところが、このような接続構造は、組立作業が煩雑であるという構造上の問題と共に、セラミックス材と金属材の熱膨張係数の違いで生じる性能上の問題を有していた。
すなわち、発電時の昇降温サイクルで接続管が膨張・変形すると、熱膨張係数の小さいセラミックス管やロウ材、接着剤等に熱応力が発生し、接続管の接合部分に破損が生じると共に、ガスリーク（反応用ガスの管外への漏洩）が発生するという問題である。ガスリークが発生すると、各発電セルに対して安定したガスの供給ができなくなり、発電出力は低下する。
【００１７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて成されたもので、構造が簡単で組立性に優れ、且つ、絶縁性、ガスシール性にも優れる燃料電池の接続管の接続構造を提供することを目的としている。                  
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池のマニホールドとセパレータを接続する接続管の接続構造であって、前記マニホールドの管孔に絶縁管を嵌入すると共に、当該絶縁管の内部に前記接続管を、その軸線方向にスライド可能に差し込み嵌合し、圧損により接合部分をガスシールしたことを特徴としている。
【００１９】
本構成では、接続管とマニホールドの接続は、絶縁管に接続管を差し込むだけであるから極めて容易であり、且つ、接合部分は圧損によりシールされているから、性能低下に繋がるガスリークは発生しない。
また、熱膨張による接続管の軸線方向の延びに対しては、接続管がスライドすることにより熱膨張変化を無理なく吸収することができるため、接合部分の変形や破損が防止でき、安定した出力特性が得られるようになる。
【００２０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の接続管の接続構造において、前記絶縁管が嵌入される部分の前記マニホールドの側壁の厚肉を厚くしたことを特徴としている。
【００２１】
本構成では、セパレータの厚さに左右されることなく、厚肉・太径の絶縁管を使用することが可能となり、接合部の絶縁性や破損に対する信頼性が向上する。
【００２２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池の接続管の接続構造において、前記接続管をＪ字状に曲成し、当該接続管の前記マニホールドと前記セパレータへの接合方向を同一にしたことを特徴としている。
【００２３】
本構成では、図１、図２に示すように、マニホールドのセパレータと対面する側壁に対して反対側に管孔を設け、そこに接続管の曲成端部を嵌入するようにした。これにより、接続管のマニホールドとセパレータへの接合方向を同一にでき、接続管の取付作業が極めて容易になる。
【００２４】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池の接続管の接続構造において、前記管孔を千鳥状に配置したことを特徴としている。
【００２５】
本構成では、隣り合う接続管との間隔を広くでき、接続管の接続作業が行い易くなり、手作業などによる燃料電池スタックの組立性が向上する。また、振動や変形等による接続管同士の機械的接触の危険性を極力回避できる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明の接続構造は、絶縁管の内部に接続管の先端部を差し込むだけの極めて単純な構造であるから、燃料電池モジュールの組み立ては極めて容易である。また、高温下における接続管の熱膨張変化を効率的に吸収できるスライド式の嵌合構造であるから、熱膨張に対する部材の変形や破損を防止し、長期に亘って優れた絶縁性とガスシール性を維持することができ、安定した電池性能が得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
先ず、本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を図２、図３を用いて説明する。図２は燃料電池の要部を示す斜視図、図３は燃料電池の要部を示す分解断面図である。
【００２９】
図中、符号１は燃料電池スタックを示している。この燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００３０】
ここで、固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４は、ＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体６は、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７は、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８は、ステンレス等で構成されている。
【００３１】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面（燃料ガス通路口１７）から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面（酸化剤ガス通路口１８）から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路１２を有している。但し、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、ガス通路１１、１２の何れか一方のみを有する。
【００３２】
また  この燃料電池スタック１の側方には、図２に示すように、各セパレータ８の燃料ガス通路口１７に接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１５と、各セパレータ８の酸化剤ガス通路口１８に接続管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用マニホールド１６とが、発電セル５とセパレータ８の積層方向に延在して設けられている。
【００３３】
ところで、燃料用マニホールド１５および酸化剤用マニホールド１６は、ステンレス等の金属材料で構成されているため、これらマニホールド１５、１６と燃料電池スタック１のセパレータ８とを電気的に絶縁する必要があることは既述した通りである。
以下、燃料用マニホールド１５と各セパレータ８を接続する接続管１３の接続構造の実施形態を図１、図２を用いて説明する。
【００３４】
接続管１３を用いてマニホールド１５とセパレータを電気的に絶縁された状態で流路接続する際、本実施形態では、セパレータ８側においては接続管１３の端部をガス通路口１７内に直接挿入した状態で溶着されているが、マニホールド１５側においては以下のような接続構造と成されている。
【００３５】
例えば、燃料ガス用の接続管１３の接続構造について説明すれば、図１に示すように、四角柱状の燃料用マニホールド１５の側壁に設けた多数の管孔２０にセラミックス（アルミナ）のような優れた耐熱性を有する素材で成る絶縁管２２をきつく嵌入し、この絶縁管２２の内部に接続管１３を差し込み嵌合する構造としている。尚、図１中の符号１０は、この燃料用マニホールド１５に外部からの燃料ガスを供給するためのガス供給管を示している。
【００３６】
マニホールド１５の側壁の板厚は２ｍｍ程度であり、絶縁管２２を介してこれに接合される接続管１３は、直径２φ程度のステンレスチューブを用いる。従って、側壁には少なくとも外径が２φ以上の絶縁管２２が嵌入されることになるが、先の板厚で絶縁管２２を確実に取り付けるのは難しい。
そこで、本実施形態では、この絶縁管２２の取付を確実にするため、絶縁管２２が嵌入される燃料用マニホールド１５の側壁部分の厚さを他の側壁部分に比べて厚肉としている。因みに、厚肉部分２１の肉厚は、約２４ｍｍ程とされており、その厚み分をもって厚肉・太径の絶縁管２２がしっかり嵌入・固定できるようになっている。加えて、厚み分、絶縁管２２を長くすることもできる。
【００３７】
このように、絶縁管２２の肉厚を厚くできれば、管接合部分の絶縁性や熱応力による関連部材の破損等に対する信頼性を向上できる。また、絶縁管２２自体の加工性も向上する。
これに対し、セパレータ側でこのような絶縁管２２による絶縁処理を行う場合を想定すると、通常、セパレータ８は、厚さ約３．５ｍｍ程の薄い金属板で構成されているため、絶縁管２２の外径がセパレータ８の厚３．５ｍｍにより制限されて絶縁管２２の肉厚に十分な厚みを取れなくなる。また、セパレータ８の厚みを厚くすると、燃料電池スタックは大型化する。よって、この絶縁方法は、絶縁性や耐久性、或いは加工性、組立作業性の面で問題が多く、好ましいとは言えない。
【００３８】
また、接続管１３の絶縁管２２への嵌入は、燃料電池運転時の高温下で接続管１３の熱膨張変化を吸収できるよう、接続管１３の軸線方向にスライド可能となり、且つ、電池性能に影響を与えないガスシール性を確保できるような嵌め合いをもって成されている。即ち、接続管１３が熱膨張により最大に拡径した状態で、絶縁管２２の内壁との間の隙間がほぼ無くなるように設定されている。これは、絶縁管２２のアルミナ等に比べて接続管１３のステンレスの方が熱膨張係数が大きいためである。
【００３９】
これにより、両者に熱膨張係数の差があっても高温下における熱膨張で絶縁管２２と接続管１３の径方向に無理な力が掛からないようにでき、且つ、熱膨張による接続管の１３の軸線方向の延びに対しても、接続管１３が軸線方向に自由にスライドすることにより、接続管１３の熱膨張変化を無理なく吸収でき、管接合部の変形や破損が防止できる。
また、スライド式の嵌合で接続管１３と絶縁管２２がきつく圧接されていなくとも、接合部は圧損によりシールされているため、接続管１３が熱膨張する以前の状態であっても、管路抵抗の大きい接続管１３と絶縁管２２の隙間から管外に漏洩するガスは極微量であり、性能低下に繋がるガスリークは発生しない。
【００４０】
図２に示すように、接続管１３は、全てＪ字状に曲成されたものが使用されている。また、絶縁管２２を嵌入する管孔２０は、マニホールド１５のセパレータ８と対面する側面に対して反対側に位置するように設けられ、且つ、長手方向に所定の間隔を持って千鳥状に配置されており、各々に、各接続管１３の曲成端部１３ａを嵌入するようになっている。尚、セパレータ８側の燃料ガス通路口１７も、これに対応して各積層毎に周方向に交互に位置をずらして千鳥状に配置されている。
【００４１】
このように構成することにより、マニホールド１５とセパレータ８を流路接続する際、両者に対して接続管１３を一方向より挿入・接合すれば良く、セパレータ８と対面するマニホールド１５の側壁とセパレータ８の外周面との間に接続管１３を介在する構造に比べて接続管１３の取付作業が極めて容易になると共に、マニホールド１５とセパレータ８を接近させることができ、両者の間の無駄なスペースを少なくして燃料電池の小型化に寄与できる。
また、高温下での熱膨張で生じる接続管１３の軸線方向の延びにより管接合部に加わる無理な応力を或る程度このＪ字管の奏する弾性で吸収することができ、且つ、組み立ての際の接続管１３とガス通路口１７との少々の位置ズレはこの弾性で吸収できるため、位置決めの際に自由度が得られることになり、組立性が向上する。
【００４２】
加えて、管孔２０を千鳥状に配置することにより、組み立ての際、発電セル５とセパレータ８の積層方向、およびその垂直方向において、隣り合う接続管１３との間隔を広くすることができ、接続管１３の接合作業が行い易くなると共に、手作業などによる燃料電池スタック１の組立性が向上する。
また、接続管の間隔が広ければ、振動や変形等による接続管１３同士の機械的な接触の危険性を極力回避できるというメリットもある。
【００４３】
以上、燃料用マニホールド１５における接続管１３の接続構造について説明したが、酸化剤用マニホールド１６における接続管１４の接続構造も上記と同様に、絶縁管２２と接続管１４の２重構造による差し込み式であり、ここでは詳細な説明は省略するが、接続管１４と絶縁管１０の嵌め合いにおいても、熱膨張変化に対してスライド可能な状態と、圧損による良好なガスシール性を確保し、且つ、接続管１４をＪ字管とした、組立性の良い配管構造と成されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態による接続管の接続構造を示す図。
【図２】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の要部を示す斜視図。
【図３】同、固体酸化物形燃料電池の要部を示す断面図。
【符号の説明】
【００４５】
８  パレータ
１３、１４  接続管
１５、１６  マニホールド
２０  管孔
２２  絶縁管
【図１】
2006004759.tif 000003
【図２】
2006004759.tif 000004
【図３】
2006004759.tif 000005